El lenguaje LISP. LISP is an easy language to learn (Henry et.al., 1984) Introducción

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1 El lenguaje LISP LISP is an easy language to learn (Henry et.al., 1984) 1 Introducción Origen: 1958 John McCarthy, pionero en IA, empezó a trabajar con la primera implementación de Lisp en 1958.»McCarthy, Recursive functions of symbolic expressions and their computation by machine, Communications of the ACM, Vol 3, No 4,

2 Introducción Uso habitual en Inteligencia Artificial LISt Processing Características básicas» Lenguaje Interpretado También posible compilado» Todas las variables son punteros» Liberación automática de memoria (automatic garbage collection)» Eficiencia menor que otros lenguajes (causas: es interpretado, liberación automática de memoria,...).» Adecuado para prototipados y cálculo simbólico. Nuevo paradigma de programación: programación funcional 3 Expresiones LISP: Datos»Átomos Símbolos: simbolo, simbolo3,ejemplo-de-simbolo Especiales: nil, t Keywords (étiquetas): :ejemplo, :keyword Strings (distinción minúsculas-mayúsculas) abc, ABC, string Números: enteros: 33, 4, -5 racionales: -3/5, 4/8 reales: 3.23, -4.78, 3.33E45»Listas Colecciones de expresiones (a b (c (d)) e), (), (3 abc ) Listas: Grupo de átomos. Las listas también se pueden agrupar en niveles superiores. 4

3 Evaluación Forma LISP: cualquier expresión evaluable (expresión LISP) Evaluación» Una expresión es evaluable cuando devuelve un valor Distinción entre operadores» Funciones: evalúan todos sus argumentos» Macros: no evalúan todos los argumentos QUOTE Macro: no evalúa su argumento (quote (a b c)) >>> (A B C) (a b c) equivale a (quote (a b c)) Ejemplos de evaluaciones» Átomos Símbolos: Su evaluación es su valor como variable T y NIL se evalúan a sí mismos Números, Strings y Keywords Se evalúan a sí mismos» Listas () se evalúa a NIL Una lista no vacía evaluable debe tener como primer elemento un símbolo (+ 3 (+ 2 5)) (quote (a b c)) (setf variable (+ 3 4)) Notación prefijo. El primer elemento de una lista indica qué se desea hacer 5 Operadores de manipulación de listas, I El macro SETF admite como primer argumento:» Un símbolo: (setf dias (lunes martes miercoles))» Una posición de memoria: (setf (second dias) jueves)) dias >>> (LUNES JUEVES MIERCOLES) Atención! Lista modificada! (setf (rest dias) (viernes domingo)) dias >>> (LUNES VIERNES DOMINGO) (setf (rest dias) dias) >>> (LUNES LUNES...) Cuidado!, listas circulares (setf [<var1> <valor1>]... [<varn> <valorn>]) Sirve para: Asignar valores a variables Modificar valores de componentes de listas, variables, etc. 6

4 Operadores de manipulación de listas, II Características comunes:» Al evaluarlos, se obtiene error cuando se aplican sobre datos que no siguen su patrón sintáctico.» La mayoría son funciones (no macros). FIRST o CAR» Devuelve el primer elemento de la lista»(first<lista>)» (first (a b c)) >> A SECOND, THIRD,..., NTH» (second <lista>) (second (a b c)) >>> B» (nth <expresion> <lista>) (nth 1 (a b c)) >>> B Devuelve el elemento en la posición <expresion> de la <lista> Posición inicial: 0 Si <expresion> excede la dimensión de la lista se devuelve NIL 7 Operadores de manipulación de listas, III REST o CDR» Devuelve la lista sin el primer elemento» (rest <lista>)» (rest (a b c)) >> (B C) NTHCDR» (nthcdr <expresion> <lista>)» (nthcdr (+ 1 1) (a b c)) >> (C) (car (cdr (car ((a b c) d)))) >> B» Es equivalente (cadar ((a b c) d))» C _ R _ = A (first) o D (rest) Cómo crear listas?» cons» append» list 8

5 Operadores de manipulación de listas, IV CONS» Inserta elemento (<expresion>) al inicio de una lista» (cons <expresion> <lista>)» (cons (a b) (c d e)) >>> ((A B) C D E) (cons a (cons b nil)) : construir una lista, concatenando elementos a una lista vacía APPEND» (append <lista>*)» (append (a b) (c d)) >>> (A B C D)» (append '(a b) '(c (d)) '(e f)) >>> (A B C (D) E F)» No destructivo. Crea copia (a primer nivel) de todos los argumentos menos el último» (append a b c) >>>? ERROR LIST» (list <expresion>*)» (list (a b) (c d)) >>> ((A B) (C D))» (list '(a b) '(c (d)) '(e f)) >>> ((A B) (C (D)) (E F))» (list a b c) >>>? (A B C) 9 Operadores de manipulación de listas, V Operadores destructivos:» Suelen ser macros» (setf a (a b)); (setf b (c d)); (setf c (e f)) NCONC (append). Función. (nconc a b) >>> (A B C D) a >> (A B C D) ; b >>> (C D) Modifica la primera lista PUSH (cons). Macro (push r b) >>> (R C D) b >>> (R C D) Introduce elemento. Modifica la lista POP. Macro (pop c) >>> E c >>> (F) Saca elemento. Modifica la lista 10

6 Operadores de manipulación de listas, VI Otras funciones: LAST (last <lista>) (last (a b c)) >>> (C) (last ((A B) (C D))) >>> ((C D)) Devuelve el último elemento REVERSE (del primer nivel de anidamiento) (reverse <lista>) (reverse (a b c)) >>> (C B A) (reverse '((A B) (C D))) >>> ((C D) (A B)) Da la vuelta al primer nivel de la lista LENGTH (lenght <lista>) (lenght (a b c)) >>> 3 Longitud de la lista, del primer nivel SUBST (subst <nuevo> <viejo> <lista>) (subst a b (a b c)) >>> (A A C) Sustituir con <nuevo> todas las apariciones de <viejo> en <lista> 11 Otras funciones LISP, I PROGN, PROG1» Permiten escribir instrucciones compuestas (como { y } en el lenguaje C)» Evalúan todas las sentencias que contienen y devuelven la última o primera sentencia.» (progn (+ 3 4) (+ 4 5)) >>> 9» (prog1 (+ 3 4) (+ 4 5)) >>> 7 (progn [<sentencia1>] [<sentencian>]) (prog1 <sentencia1> [<sentencia2>] [<sentencian>]) progn puede no recibir ningun argumento, entoces devuelve NIL prog1 tiene que recibir al menos una sentencia 12

7 Otras funciones LISP, II PRINT» (PRINT <forma>)» Mostrar información al usuario.» Si el valor de <forma> lo llamamos A, el valor es A. Adicionalmente al ejecutarse, también se imprime A» > (progn (setf x (print A)) (+ 3 4)) A >>> 7» > x >>> A READ» (SETF variable (READ))» Leer información del usuario CL-USER(1): (setf variable (read)) HOLA! (lo introduce usuario y pulsa intro) HOLA! CL-USER(2): variable HOLA! CL-USER(3): 13 Otras funciones LISP, III EVAL (en desuso)» Evalúa dos veces una expresión» (eval (+ 3 4)) >> 7»(setfa 'b)»(setfb c)» a >> b» b >> c» (eval a) >> c Operadores matemáticos» +, -, *, /, ABS» EXPT (expt 2 4) >>> 16» MAX, MIN (max ) >>> 5»FLOAT (float 1/2) >>> 0.5» ROUND (round 3.2) >> 3 14

8 Condicionales, I El valor lógico de una forma LISP se considera falso si su valor LISP es NIL. En caso contrario, el valor lógico es verdadero. Condicionales: * if * when IF (macro) * unless *cond» Sintaxis: (if <expresion> <forma1> [forma2]) Si el valor lógico de <expresión> es verdadero, devuelve el valor de <forma1>. Si es falso, devuelve el valor de <forma2>.» (if (> 5 (+ 2 2)) (+ 3 3) (+ 3 4)) >>> 6 Si se desea que se evalúen varias formas cuando sea cierta o falsa la condición, qué hacemos? Usamos progn o prog1 15 Condicionales, II WHEN (macro)» Sintaxis: (when <expresion> <forma-1> <forma-2>...<forma-n>) Si el valor lógico de <expresión> es verdadero, ejecuta las formas <forma-1>, <forma-2>,... <forma-n> y devuelve como valor final el valor de <forma-n>. Si es falso, devuelve NIL.» (when (> 5 (+ 2 2)) (+ 3 3) (+ 3 4)) >>> 7 Se ejecuta todo, no hace falta poner progn o prog1 No hay parte else! (when <exp> <forma>+) (if <exp> (progn <forma>+)) 16

9 Condicionales, III UNLESS (macro)» Sintaxis: (unless <expresion> <forma-1> <forma-2>...<forma-n>) Si el valor lógico de <expresión> es falso, ejecuta las formas <forma-1>, <forma-2>,... <forma-n> y devuelve como valor final el valor de <forma-n>. Si es verdadero, devuelve NIL.» (unless (> 5 (+ 2 2)) (+ 3 3) (+ 3 4)) >>> NIL unless es el contrario a when Cuando se devuelve NIL, no se ha ejecutado nada en este caso 17 Condicionales, IV COND (macro)» Sintaxis: (cond (<condición-1> <forma-11> <forma-12>...<forma-1-a1>) (<condición-2> <forma-21> <forma-22>...<forma-2-a2>)... (<condición-n> <forma-n1> <forma-n2>...<forma-n-an>)) Cuando encuentra una <condicion-i> cuyo valor lógico de es verdadero, ejecuta las formas <forma-i1>, <forma-i2>,... <forma-i-ai> y devuelve como valor final el valor de <forma-i-ai>.» (cond ((> 5 7) (+ 3 4) (+ 4 5)) ((> 5 3) (+ 5 6) (+ 6 7)) (t (+ 7 8) (+ 8 9))) >>> 13 18

10 Predicados Procedimientos que devuelven T o NIL Usual calcular el valor lógico de expresiones LISP construidos con ellos. Tipos de datos:» (<predicado> <expresion>)» ATOM, STRINGP, NUMBERP, SYMBOLP, LISTP Para saber de qué tipo es un dato» (atom a) >>> T ; (atom NIL) >>> T» (listp a) >>> NIL ; (listp NIL) >>> T Numéricos: Hoja 1, ejercicio 3» Los operandos deben ser números» >, <, <=, >=, ZEROP, PLUSP, MINUSP, EVENP, ODDP Identificador listas vacías:» NULL Hoja 1, ejercicio 5 Es la lista vacía?. Es su valor lógico falso? (null (rest (a))) >>> T 19 Predicados de igualdad, I EQ, EQL, EQUAL, = =» (= <numero> <numero>)» (= 3 (+ 2 1)) >>> T; (= 3 3.0) >>> T Determina si dos variables ocupan la misma EQ posición de memoria» Comprueba igualdad a nivel de punteros» Ejemplos: (setf x (a b 2)) ; (setf y (a b 2)); (setf z x) (eq x y) >>> NIL ; (eq (first x) (first y)) >>> T (eq z x) >>> T EQL Comprueba igualdad de átomos» (eql <exp1> <exp2>) Es T cuando: i. Cuando <exp1> y <exp2> son átomos y ii. (eq <exp1> <exp2>) se evalúa a T» Ejemplos: 1) (eql (cons a nil) (cons a nil)) >>> NIL (falla i) 2) (setf x (cons a nil)) >>> (A) (eql x x) >>> T 20

11 Predicados de igualdad, II EQUAL» Comprueba a nivel simbólico si dos expresiones son iguales (al imprimirlas)» (equal x y) >>> T» (equal (first x) (first y)) >>> T» (equal z x) >>> T» (equal 3 3.0) >>> NIL 21 Operadores lógicos, I AND (macro)» (and <exp1> <exp2>... <expn>)» Si el valor lógico de todas las <expi> es verdadero, devuelve el valor de la última (<expn>). En caso contrario, devuelve NIL.» Cuando encuentra alguna <expi> con valor lógico falso, ya no sigue evaluando el resto de las <exp>.» (and (evenp 2) (plusp -3) (print 3)) >>> NIL OR (macro)» (or <exp1> <exp2>... <expn>)» Si el valor lógico de alguna de las <expi> es verdadero, devuelve su valor. En caso contrario, devuelve NIL.» Cuando encuentra alguna <expi> con valor lógico verdadero, ya no sigue evaluando el resto de las <exp>.» (or (evenp 2) (plusp -3) (print 3)) >>> T 22

12 Operadores lógicos, II NOT» (not <exp>)» Si el valor lógico de <exp1> es verdadero, devuelve NIL. En caso contrario devuelve T.» (not (oddp 2)) >>> T» (not (list 2 3)) >>> NIL» (not (oddp 3) >>> NIL Hoja 1, ejercicio 6 23 Variables locales y globales, I (setf dias (lunes martes miercoles))» Es una variable global (puede ser llamada por el resto de instrucciones) Las variables globales en LISP se suelen denominar con * :» *dias-de-la-semana* 24

13 Variables locales y globales, II Variables locales» LET (macro) Ejemplo: >(prog1 (let ((x a) (y b) z) (setfz(listx y)) (list z z)) (list 'final 'evaluacion)) >>> ((A B) (A B)) Sintaxis: (let ((<var-1> <valor-inicial-1>) (<var-2> <valor-inicial-2>)... (<var-n> <valor-inicial-n>)) <forma-1> <forma-2>... <forma-m>) LET: asignación de valores en paralelo LET*: asignación de valores de forma secuencial Se puede: (let* ( (x a) (z x)) 25 Definición de funciones, I Ejemplo: >(defun factorial (numero) (cond ((= numero 0) 1) (t (* numero (factorial (- numero 1)))))) >>> FACTORIAL > (factorial 3) >>> 6 Sintaxis: Si la sintaxis está bien, LISP devuelve el nombre de la función. (defun <nombre-funcion> (<lista-argumentos>) [(let/let* ] para definir variables locales <forma-1> <forma-2>... <forma-n>) Comentarios: El valor de la función es el de la última forma (<forma-n>). No se puede utilizar return para devolver el valor de retorno (como en el lenguaje C). Los argumentos son también variables locales. Valor de un símbolo como variable y como función (una variable y una función pueden tener el mismo nombre). 26

14 Definición de funciones, II Argumentos» Número fijo de argumentos: (defun f (x y) (list x y)) (f a b c) >>> error» Número variable de argumentos (&rest): Función LIST (ejemplo de función que tiene &rest en su implementación) (defunf (x y &restz) (listx y z)) (f a b c d) >>> (A B (C D)) (f a b) >>>? (A B NIL) z tiene NIL» Argumentos opcionales con nombre y valor por defecto (&key): (defun f (x y &key (z a) u (v b)) (list x y z u v)) (f a b) >>> (A B A NIL B) (f a b :z c :v d) >>> (A B C NIL D) &key (<arg1>[<valor1>]) [(<argn>[<valorn>])] 27 Definición de funciones, III Un mismo símbolo se puede utilizar para definir una variable y una función.» (setf f a)» (defun f (x y) (list x y)) LISP permite referirse a las funciones o bien por su nombre o bien por la expresión que las define (caso lambda) LISP manipula las funciones como un tipo más de datos.» Las funciones pueden recibir funciones como argumento» Las funciones pueden devolver como valor de retorno funciones. Hoja 1, ejercicio 7, 8,

15 Definición de funciones, IV Operadores de iteración»dotimes (dotimes (i 3 (list 'final)) (list i i)) >>> (FINAL) Sintaxis: (dotimes (<var> <num-iter> [<valor-retorno]) <forma-1>... <forma-n>)»dolist (dolist (i (list a b) (list 'final)) (list i i)) >> (FINAL) Sintaxis: (dolist (<var> <lista> [<valor-retorno]) <forma-1>... <forma-n>)»while Sintaxis: (while <condicion> <forma-1>... <forma-n>)» LOOP Sintaxis (la más sencilla): (loop <forma-1>... <forma-n>)» En todos: (return <expresion>), abandona la iteración devolviendo <expresion>. 29 Definición de funciones, V Ejercicios de iteración >> (dotimes (i 3 (list 'final)) (print i)) (FINAL)» Cómo sería con while?: (progn (let ((i 0)) (while (< i 3) (print i) (setf i (+ i 1))) (list 'final)))» Cómo sería con loop? (progn (let ((i 0)) (loop (print i) (setf i (+ i 1)) (if (= i 3) (return))) (list 'final) )) 30

16 Definición de funciones, VI Funciones lambda (anónimas o sin nombre)» Un subprograma de carácter tan auxiliar que no es necesario darle nombre: lambda. (lambda ( <lista-argumentos> ) <forma-1> <forma-2>... <forma-n>)» Todos los componentes mismo significado que en defun. Contar los elementos de una lista (count-if que cumplan #'(lambda (x) (eql (first x) 'pantalon) ) '( (medias 20) (falda 10) (pantalon 40) (medias 1) Valores entre los que contar (pantalon 2) (total 73 )) ) >>> 2 31 Operadores sobre funciones, I FUNCALL» (funcall <funcion> <arg1>... <argn>)» Son equivalentes: (f a b) >>> (A B) (funcall # f a b) Con funcall necesario # function <expresion> # <expresion>» (progn (setf funcíon-f # f) (funcall funcíon-f a b))» (funcall # (lambda (x y) (list x y)) a b) APPLY» (apply <funcion> (<arg1>... <argn>))» Son equivalentes: (f a b) >>> (A B) (apply # f (a b)) Diferencia entre funcall y apply? La forma de cómo se presentan los datos sobre los que se aplica la función, con apply los datos van dentro de ( y ) 32

17 Operadores sobre funciones, II MAPCAR» (mapcar <funcion> <lista1>... <listan>)» Aplicación de funciones a elementos de listas > (mapcar # (lambda (x y) (list x x y y)) (a b c) (d e f)) >>> ((A A D D) (B B E E) (C C F F)) Qué ocurre si las listas son de distintos tamaños? REMOVE» (remove <elemento> <lista> [:test <funcion-igualdad>])» Obtener lista a partir de otra, borrando los elementos que cumplan una condición» (remove b (a b c)) >>> (A C) Equivale a (remove b (a b c) :test # eql)» (remove (a b) (a (a b) c)) >>> (A (A B) C) (remove (a b) (a (a b) c) :test # equal) >>> (A C) Hoja 1, ejercicio 9 Hace lo común Necesario :test para borrar cuando hay sublistas 33 Operadores sobre funciones, III DELETE» Versión destructiva de REMOVE» (setf lista (a b c))» (remove b lista) >>> (A C)» lista >>> (A B C)» (delete b lista) >>> (A C)» lista >>> (A C) MEMBER QUÉ OCURRE: (setf l '(a (a b) c) ) (delete '(a b) l) (delete '(a b) l :test #'equal)» Sintaxis: (member <elemento> <lista> [:test <funcion-gualdad>])» (member b (a b c)) >>> (B C) Equivale a (member b (a b c) :test # eql)» (member (a b) (a (a b) c)) >>> NIL >(member (a b) (a (a b) c) :test # equal) >>> ((A B) C) 34

18 Operadores sobre funciones, IV Otros operadores cuyos argumentos son funciones:» COUNT-IF, FIND-IF, REMOVE-IF, REMOVE-IF-NOT, DELETE-IF, DELETE-IF-NOT Observación:» Al utilizar # <f>, si <f> es un macro se tienen resultados inesperados. No usarlos, por tanto. 35 Funciones sobre strings Más corriente el uso de símbolos Funciones:» LENGTH, REVERSE» STRING= (sensible a mayúsculas), STRING-EQUAL» (read-from-string <string>) >>> <simbolo>» (string <simbolo>) >>> <string> Devuelve el string y su nº de caracteres hasta el primer blanco Convierte simbolo a string» (prin1-to-string <numero>) >>> <string>» (search <string1> <string2>) Convierte número a string Busca parte de un string» (subseq <string> <posicion>) >>> substring a partir de <posicion>» (concatenate <string>+) 36

19 Arrays Colección n dimensional de elementos. Se puede recorrer con un índice. Acceso no secuencial a elementos» En listas, el acceso a los elementos es secuencial» Más eficiente el acceso a elementos en arrays que en listas Operadores: MAKE-ARRAY, AREF» > (setf mi-array (make-array '(2 3))) >>> #2A((NIL NIL NIL) (NIL NIL NIL))» > (setf (aref mi-array 0 1) 'a) >>> A» > mi-array >>> #2A((NIL A NIL) (NIL NIL NIL)) Crear array: (make-array <lista-dimensiones>) Acceso a los elementos: (aref <array> <indice1> <indicen>) 37 Estructuras, I Se asocia un nombre a un conjunto de propiedades o componentes (de distintos tipos) a los que se les puede asignar valores. Ejemplo: > (defstruct nombre-persona nombre (alias 'sin-alias) apellido) (defstruct <nombre-estructura> <nombre-componentei> (<nombre-componentej> <valorj>) ) >>> NOMBRE-PERSONA make-nombreestructura : > (setf persona1 Crear instancia y dar valores a las partes (make-nombre-persona :nombre 'juan)) >>> #S(NOMBRE-PERSONA NOMBRE JUAN ALIAS SIN-ALIAS APELLIDO NIL) > (setf persona2 (make-nombre-persona :nombre 'pedro :alias 'perico)) >>> #S(NOMBRE-PERSONA NOMBRE PEDRO ALIAS PERICO APELLIDO NIL) 38

20 Estructuras, II nombreestructura-campoestructura : Acceder a un campo de la estructura > (setf (nombre-persona-alias persona1) 'juanito) >>> JUANITO > persona1 #S(NOMBRE-PERSONA NOMBRE JUAN ALIAS JUANITO APELLIDO NIL) Funciones definidas automáticamente por LISP:» MAKE-NOMBRE-PERSONA» NOMBRE-PERSONA -NOMBRE, NOMBRE- PERSONA -ALIAS, NOMBRE-PERSONA - APELLIDO make-nombreestructura : Crear instancia y dar valores a las partes (setf <instancia> (<make-nombreestructura> <nomcomponentei><valori> )) nombreestructura-campoestructura : Acceder a un campo de la estructura 39 (setf (<nombreestructuracompontei><instancia>)<valori>) Alternativa a estructuras Las listas son una alternativa al uso de estructuras: > (setf persona1 '((:NOMBRE JUAN) (:ALIAS JUANITO) (:APELLIDO NIL))) >>> ((:NOMBRE JUAN) (:ALIAS JUANITO) (:APELLIDO NIL)) > (assoc :alias persona1) >>> (:ALIAS JUANITO) > (first (member :alias persona1 :test #'(lambda (x y) (eql x (first y))))) >>> (:ALIAS JUANITO) ASSOC utiliza por defecto EQL 40

21 DEBUGGING TRACE» Función recursiva: (defun factorial (n) (if (= n 0) 1 (* n (factorial (- n 1)))))» (trace factorial) > (factorial 2) FACTORIAL [call 5 depth 1] with arg: 2 FACTORIAL [call 6 depth 2] with arg: 1 FACTORIAL [call 7 depth 3] with arg: 0 FACTORIAL [call 7 depth 3] returns value: 1 FACTORIAL [call 6 depth 2] returns value: 1 FACTORIAL [call 5 depth 1] returns value: 2 UNTRACE» (untrace), (untrace factorial) Uso de PRINT, DESCRIBE, etc» (describe factorial) No es posible uso de breakpoints, steps, etc 41 Otros temas en LISP, I Comentarios» Después de ; y hasta final de línea Macros» Permiten definir operadores que no evalúan sus argumentos: COND, SETF, DEFUN son macros (defmacro defun (nombre-funcion lista-argumentos &rest formas)...) Hoja 1, ejercicio 14, 15» Uso de backquote (`) y de arroba (@) Operadores adicionales al quote ( ) Muchas funciones ya implementadas en LISP:» SORT, LOOP generalizado, etc CLOS (programación orientada a objetos) Hoja 2, ejercicios 1,2, 3, 8, 11, 12 42

22 Otros temas en LISP, II Dotted-pairs (en desuso) > (cons 'a 'b) >>> (A. B) Edición, carga compilación:» COMPILE-FILE, LOAD-FILE Entrada-salida:» PRINT, READ, FORMAT, READ-LINE, READ-CHAR Otros operadores de iteración:» DO, DO* (su diferencia es equivalente a la de LET y LET*) (declare (special <variable>)) Argumentos opcionales (&optional) Property-names de símbolos Copias de listas: COPY-TREE Funciones sobre conjuntos: UNION, INTERSECTION, etc. Paquetes 43